第十一章毒作用机制黄.ppt

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1、1,第十一章 毒作用机制,2,掌握外源化合物的增毒现象熟悉外源化合物的主要毒性机制 终毒物的种类与形成 终毒物与靶分子的反应 细胞功能障碍与毒性,教学目的与要求,3,研究毒效应机制应明确,毒性效应是由毒物引起正常细胞发 生生理和生化改变的结果毒性效应的程度除与毒物本身外，还与剂量和靶部位有关靶组织和靶器官具有代偿能力，可 超常发挥解毒功能毒效应包括一般毒性效应和特殊毒 性效应,4,研究中毒机制的步骤,整体动物有无毒性找出靶器官、靶组织进一步找出受损的细胞、亚细胞分子水平：DNA、RNA或蛋白质,5,产生毒性可能的途径,6,毒物进入机体，与机体发生多种相互作用，最终引起毒作用的过程。最直接的途径

2、，即化学毒物在机体重要部位出现，不与靶分子作用。如过量的糖进入肾小管。,化学毒物产生毒性的可能途径,7,较复杂途径，毒物进入机体后，抵达靶部位，与靶分子相互作用，导致毒作用。如河豚毒素进入机体，抵达运动神经元，与Na+通道相互作用，使Na+通道阻塞，抑制运动神经元的功能。,8,最为复杂的途径，需要许多步骤。首先，毒物分布到靶部位，终毒物与内源性靶分子相互作用，引起细胞功能和/或结构的紊乱，启动分子水平、细胞或组织水平的修复机制，当毒物所致紊乱超过修复能力，使修复功能失调或丧失，毒作用发生。,9,毒物是如何进入机体的如何与靶分子交互作用机体是如何应对各种侵害的,想知道,10,中毒是有毒化学物与机

3、体交互作用，导致机体的功能或结构产生不良改变的结果。除与机体自身有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途径。,11,中毒表现多种多样，毒性机制不一,与靶分子反应，引起细胞功能失调；对生物学环境(微环境)产生有害的影 响，引起分子、细胞器、细胞或器 官等不同水平的功能失调，导致毒 效应。,12,复杂的毒性反应首先，毒物转运到一个或多个靶部位。然后经毒物与内源靶分子交互作用，触发细胞功能和结构的紊乱。随后细胞启动修复机制。当紊乱超过修复能力或修复功能低下时，毒性出现，如组织坏死、癌症和纤维化。,13,第一节毒物从暴露部位到靶组织的转运及终毒物的形成,14,是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋

4、白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和（或）功能改变而表现出毒性的物质。,终毒物,如外源化学物具有直接毒性作用，终毒物即为机体所暴露的原化学物。,15,终毒物是毒物本身（母化合物）或是毒物的代谢产物。毒物经代谢或生物转化后表现出毒性或毒性增强的过程称为增毒或代谢活化。（toxication or metabolic activation),增 毒,16,使生物学微环境发生了不利于机体的 变化；化学结构发生了不利于机体的变化；通过生物转化而获得更有效地与特定 受体或酶相互作用的结构特征和反应 性。,增毒作用机理,17,1、乙二醇形成的草酸可引起酸中毒和低血钙,可因草酸钙沉淀而导致

5、肾小管堵塞。2、有机磷杀虫剂对硫磷转化为一种高活性的胆碱酯酶抑制剂对氧磷；3、杀鼠药氟乙酸盐在柠檬酸循环中转变为一种抑制顺鸟头酸酶的假底物氟柠檬酸。,举 例,18,增毒使外源化学物转变为,亲电物（electrophiles）；自由基（free radicals）；亲核物（nucleophiles）；氧化还原性反应物（redox-active reductants）,进而与靶分子结合或引起生物学微环境改变，导致毒效应的出现。,19,毒物进入大循环前的排除；从作用部位分布到其他部位；排泄与解毒。,促进终毒物在其靶部位蓄积的因素,毒物的吸收；作用部位的分布 重吸收；增毒(代谢活化),减少终毒物在其靶

6、部位蓄积的因素,20,原外源化合物作为终毒物铅离子河豚毒素TCDD异氰酸甲酯HCNCO外源化合物的代谢物作为终毒物苦杏仁苷 HCN砷酸盐 亚砷酸盐氟乙酰胺 氟柠檬酸1，2亚乙基二醇 草酸，乙二酸己烷 2，5己二酮乙酰氨基酚 N乙酰p苯醌亚胺CCl4 CCl3OO苯并（a）芘（BP）BP7，8二醇9，10环氧化物苯并（a）芘（BP）BP自由基阳离子,表1 终毒物的来源及其类型,21,过氧化氢 敌草快，阿霉素，呋喃妥英 羟基自由基（HO）Cr（），Fe（），Mn（），Ni（）过氧亚硝基（ONOO）百草枯O2NO 内源化合物作为终毒物磺胺类药物 白蛋白结合的胆红素 胆红素CCl3OO 不饱和脂肪酸

7、脂质过氧自由基CCl3OO 不饱和脂肪酸 脂质烷氧自由基CCl3OO 不饱和脂肪酸 4羟基壬醛,HO 蛋白质 蛋白羰基,表1 终毒物的来源及其类型,活性氧或活性氮作为终毒物,22,含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。,一、亲电物的形成,亲 电 物：,23,亲电物的形成机理,插入一个氧原子，该氧原子从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性,共轭双键形成，通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失 键异裂形成阳离子亲电物,24,插入一个氧原子，该氧原子从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性,如：醛、酮、环氧化物、

8、形成时出现,（1）非离子亲电子物的形成,25,共轭双键形成，通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失,发生于、-不饱和醛和酮以及醌和醌亚胺（quinoneimines）形成时，许多这些亲电代谢物的形成是由P450催化的。,26,甲基替代的芳香族化合物如7,12二甲基苯蒽以及芳香胺（酰胺），这些物质一般为磺基转移酶所酯化。这些酯类的C-O或N-O键的异裂分别导致硫氰酸盐阴离子以及苄基碳鎓离子和芳基氮鎓离子的共同形成。,（2）键异裂形成阳离子亲电物,27,（3）由无机化学物形成亲电毒物的实例,金属汞氧化为Hg2+；CrO42-还原为CrO33+；AsO43-还原为AsO32-/As3

9、+,28,表2 亲电代谢物产生的毒性,29,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),30,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),31,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),32,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),33,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),34,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),35,表2 亲电代谢物产生的毒性(续),36,二、自由基形成,独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。,自由基（free radicals）,37,具有顺磁性；性质活泼、反应性极高；半减期极短；作用半径短。,自由基的特点,38,自由基在肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病发

10、生发展中的作用得到了进一步的证实。自由基在体内虽然不断产生，但也不断为机体的防御体系所清除。,39,当诱导产生大量自由基超过了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，使机体处于氧化应激（oxidative stress），造成机体的损害。,40,最主要的是活性氧（reactive oxygen species，ROS）活性氧是指含有化学性质极为活泼的含氧功能基团的一类基团或化合物。,(一)自由基的类型,41,活性氧氧中心自由基，也包括某些氧的非自由基衍生物，甚至包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外源性化学物的环氧代谢物。,O2 OH,42,表3：与生物体系有关的自由基类型,自由基

11、类型,实例,评价,以氢为中心,H原子（一个质子,一个电子）,从含碳化合物抽取H原子常启动自由基链式反应，如OH能通过从膜脂肪酸侧链抽出H而启动脂质过氧化：LH+OH L+H2O,以碳为中心,三氯甲基自由基(CCl3),通过H抽取反应形成的膜脂质中的碳中心自由基（L.），为CCl4 毒性的主要动因。,以硫为中心,烷硫自由基RS,巯基化合物氧化时产生的活性自由基（由过渡全属促发）,43,表3：与生物体系有关的自由基类型,自由基类型,实例,评价,以氧为中心,无机：超氧阴离于（O2）羟基自由基（OH）,氧化应激的主要动因：OH十分活跃，O2较弱,有机：烷氧自由（L O）烷过氧自由基(L O2),由L与

12、O2反应产生（LO2），或由金属依赖的脂质过氧化产 物破环产生LO和LO2,任何碳中心自由基通常迅速与O2反应产生过氧自由基，如：CCl3+O2CCl3O2(三氯甲基过氧自由基）,44,接受和供给电子的能力使它们成为自由基反应的重要催化剂,表3：与生物体系有关的自由基类型,自由基类型,实例,评 价,以氮为中心,苯基二肼自由基C6H5N=N,参与苯肼的红细胞毒性,过渡金属离子,Cu+/Cu2+Fe2+/Fe3+Ti3+/Ti4+,45,主 要 的 活 性 氧 种 类,单线态氧超氧阴离子自由基过氧化氢(H2O2)羟基自由基(OH)臭氧 氮的氧化物 次氯酸,46,单线态氧具有较高的反应性,1单线态氧

13、,单线态氧(1gO2)：寿命很长，但不含不配对电子，不属于自由基。单线态氧(1gO2)：具有很高的反应性。半减期很短，形成后立即衰变为单线态氧状态。,47,双原子氧经单电子还原而形成，其化学特性主要取决于溶液环境。,2超氧阴离子自由基(O2-),水溶液中，弱氧化剂，能氧化某些分子（维生素C和巯基）；强还原剂，能还原几种含铁复合物，（细胞色素C和Fe2+-EDTA）。,48,O2-是两种增毒途径的启动物质,形成过氧化氢，后形成羟基自由基(OH)；产生过氧亚硝基peroxynitrte（ONOO-)，最终形成二氧化氮(NO2)和碳酸盐阴离子自由基(CO3-)。,49,50,产生O2-的系统都可产生

14、H2O2。许多酶通过直接转移2个电子给氧而产生H2O2。是一种弱氧化剂和弱还原剂，在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的。能迅速与水混合，在机体迅速通过细胞膜扩散并被处理为水分子。,3过氧化氢(H2O2),51,机体对抗H2O2的防御体系,过氧化氢酶（catalase）；谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）；其他过氧化物酶。,52,OH是分子氧三电子还原的产物，是一种化学活性极强的自由基，能与任何生物分子起反应。OH的半减期不到1s，作用直径很短（3nm）。,4羟基自由基(OH),53,OH主要来源于金属催化的Haber-Weiss反应或称Fenton型Haber-We

15、iss反应。Fe3+-络合物能加快反应速度。,54,臭氧是一种有毒的氧化污染物。臭氧可损害肺，能迅速氧化蛋白质、DNA和脂质。,5臭氧,55,NO和NO2含奇数电子，属自由基,6氮的氧化物,NO可能与O2-反应产生活性中间产物过氧亚硝基（ONOO-），损害许多生物分子，并能在酸性pH下降解，释放出少量羟基自由基。,56,ONOO-与CO2反应产生亚硝基过氧碳酸盐（ONOOCO-），它可自发地均裂为二氧化氮（NO2）和碳酸阴离子自由基（CO3-）。ONOO-及其以后的自由基形成代表着O2-与NO的增毒机制。,57,次氯酸（HOCl），强氧化剂，由活化的中性粒细胞形成。吞噬细胞胞浆中的含血红素的酶

16、（髓过氧化物酶）催化H2O2和氯离子形成HOCl。,7次氯酸,58,（二）自由基的来源,1生物系统产生的自由基,细胞浆中的儿茶酚胺类、黄素类、四氢蝶呤类、醌类和巯基类等可溶性小分子的自氧化过程可促使O2的还原而产生氧自由基。,(1)胞浆中的小分子,59,胞浆酶，可通过酶促循环而直接还原分子氧自由基、H2O2，可能还有羟基自由基；,(2)胞浆蛋白质,氧化酶，如多巴胺-羟化酶(dopamine-hydroxylase)、脂肪酰CoA氧化酶(fatty acyl CoA oxidase)也能生成ROS。,60,脂肪氧合酶（hpoxygenase）和环加氧酶(cyclooxygenase)催化产生氧自

17、由基；环加氧酶的增毒产物可与氧反应产生高活性的活性氧。,(3)膜酶活性,61,生物体中O2-的主要来源之一,(4)吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸暴发”(respiratory burst),当吞噬细胞被活化并准备吞噬时，会出现氧耗的增高。还原型烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶催化氧分子还原为超氧自由基。,62,刺激过氧化酶体生物合成的化学物能诱导H2O2的过量生成。过氧化酶体含有高浓度的氧化酶，如乙醇酸氧化酶或D-氨基酸氧化酶能催化分子氧二价还原形成H2O2。,(5)过氧化酶体,63,线粒体在整体或离体都产生ROS主要是O2-,(6)线粒体电子传递过程能生成ROS,NADH-辅酶Q(

18、复合物)；琥珀酸-辅酶Q(复合物)；辅酶QH2-细胞色素C还原酶(复合物)；非血红素铁-硫蛋白,涉及：,64,混合功能氧化酶家族在氧化底物时需要由NADPH供给电子以产生部分还原的氧中间体，在电子传递过程中可发生渗漏，导致周围组织结构的损害。,(7)微粒体电子传递系统,65,(7)微粒体电子传递系统,损害或外源化学物存在时，可大大提高这一来源的ROS。细胞色素还原酶参与细胞色素P450和b5的氧化还原反应，当它们催化某些外源化学物还原然后发生自氧化时，也能产生O2-和H2O2。,66,许多外源化学物可通过各种不同通过氧化还原循环(redox cycling)途径形成自由基。这些自由基典型地将额

19、外电子转移到分子氧，形成超氧阴离子自由基（O2）并再生为容易获得新电子的原外源化学物。,2外源化学物的氧化还原代谢,67,某些带有活性基团或杂环的对-苯醌类、其他复杂的醌类的毒性已在临床用作为抗癌药物。如丝裂霉素、链黑霉素、阿霉素、博莱霉素、道诺霉素和黑孢霉素等均能产生ROS。,(1)醌 类,68,苯的硝基化合物以及硝基杂环化合物包括氯霉素、米索硝唑和甲硝唑等均能被黄素蛋白、NADPH-细胞色素P-450还原酶或其他细胞内还原酶还原活化，引起血液毒性和肝毒性。,(2)硝基化合物,69,百草枯和除草剂如杀草快，很容易为细胞还原酶所还原。但在氧存在时，这些化合物迅速发生自发的再氧化，导致ROS形成

20、。,(3)双吡啶化合物,百草枯（paraquat）和杀草快（diquat）引起肺损害。,70,在植物，许多酶的失活迅速随之发生，植物因而死亡。,氧化还原循环是其动植物毒性的重要原因,但在人体，百草枯主动地蓄积在肺里，可因吸人空气中氧浓度的增高而显著地增加。杀草快也在高氧浓度时也能攻击肺组织。,71,(4)卤代烷烃,CCl4、卤烷(CF3CHClBr)引起肝损害,CCl4是一种经典的肝毒物，可引起肝脏脂肪变和肝细胞坏死。作用机制是CCl4在细胞色素P-450 2E1催化下发生还原脱卤而使 CCl3Cl键的均裂产生CCl3 自由基，启动脂质过氧化并产生其他代谢物。,72,P-450 2E1 CCl

21、4CCl3+Cl 三氯甲基自由基在体内可以最快的速度与分子氧形成三氯甲基过氧自由基（CCl3O2)CCl3+O2CCl3O2,73,酒是许多民族饮用的一种饮料，其主要成分为乙醇，乙醇能通过细胞膜，并穿透血脑屏障而影响中枢神经系统。小量乙醇可被肝中的醇脱氢酶代谢形成乙醛。,（5）乙醇,74,除肼和苯肼外，有不少可作药用，如肼苯哒嗪为降压药，异烟肼和异烟酰异丙肼为抗结核药。肼及其衍生物在过渡金属离子存在时会氧化并生成O2、H2O2和以氮为中心的自由基，这类活性氧和自由基是其毒作用的主要原因。,（6）肼类衍生物,75,亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。,三、亲核物的形成,76,丙烯腈环氧化

22、后和谷胱甘肽结合形成氰化物；CO是二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物；硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的。,77,硝酸盐通过肠道细菌还原、亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而形成亚硝酸盐；氨苯砜羟胺和5-羟伯氨喹啉通过协同氧化作用而引起高铁血红蛋白的形成；还原剂如维生素C以及还原酶如NADPH依赖的黄素酶使Cr6+还原为Cr5+。,四、氧化还原活性还原剂的形成,78,排除终毒物或阻止其形成的生物转化过程称为解毒。在某些情况下，解毒可与增毒过程竞争某一化学物。解毒的途径取决于毒物的化学特征。,五、解 毒,79,以两相方式解毒。最常见的是通过细胞色素P-450酶将功能基团引入到分子中，随

23、后发生结合反应，形成失活的、高度亲水的、易于排泄的有机酸。,1无功能基团毒物的解毒,途径,80,羟化的化合物：硫酸、葡萄糖醛酸结合、偶尔通过甲基化作用；巯基化合物：甲基化或葡萄糖醛酸化；胺类和肼类：乙酰基化，防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基；酚、氨基酚、儿茶酚和氢醌：生物转化为亲电性的醌和醌亚胺。,2亲核物的解毒,通过在亲核功能基团上的结合反应解毒。,81,排除巯基化合物和肼类的另一个途径是通过含黄素酶的单加氧酶类的氧化作用。,醇类经醇及醛脱氢酶氧化为羧酸而解毒；氰化物经硫氰酸酶生物转化而形成硫氰酸,82,与谷胱甘肽（巯基亲核物）结合，可自发地发生，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。金属

24、离子与谷胱甘肽反应并通过谷胱甘肽来解毒。,3亲电物的解毒,83,环氧化物水化酶催化的环氧化物与芳烃氧化物分别生物转化为二醇类和二氢二醇类；羧基酯酶催化的有机磷酸酯杀虫剂的水解。,亲电化学物解毒的特殊机制,84,亲电化学物解毒的特殊机制,醌经黄递酶(DT)双电子还原为氢醌；、-不饱和醛由醇脱氢酶还原为醇、或由醛脱氢酶氧化为酸；具有巯基反应活性的金属离子由金属硫蛋白形成复合物；氧化还原活性的二价铁由铁蛋白形成复合物。,85,通过胞浆（Cu、Zn-SOD）和线粒体（Mn-SOD）中的SOD来实施。将O2-转变为HOOH，被胞浆中含硒半胱氨酸的谷胱甘肽过氧化物酶（GPO）或过氧化物酶体系中的过氧化氢酶

25、（CAT）还原为水。,4自由基的解毒,（1）O2-的排除,86,OH的半衰期极短(10-9s)，没有任何酶能排除OH。排除其前体H2O2是唯一有效的手段。,（2）OH的排除,87,（3）ONOO比HO更稳定（半衰期约1S）。小的生物抗氧化剂分子（抗坏血酸、-生育酚）,88,含有硒半胱氨酸的谷甘肽过氧化物酶，能通过HOOH还原为水相同的方式将ONOO还原为亚硝酸盐（ONO）。,ONOO与氧合血红蛋白、含血红蛋白的过氧化物酶和白蛋白反应，这些蛋白质可能都是ONOO的排除场所。,89,胞外和胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活作用。,5蛋白质毒素的解毒,如蛇毒素和磷酯酶含有其活性所需的分子内二硫键。可被还

26、原必需二硫键的内源性双巯基蛋白硫氧还蛋白所失活。,90,共底物的消耗或细胞抗氧化剂（如谷胱甘肽、维生素C和-维生素E）的耗竭，导致解毒失效，终毒物的蓄积。,六、解毒过程失效,1毒物可能使解毒过程失效,解毒酶耗竭,91,-萘胺在肝被N-羟化并进行葡萄糖醛酸结合，以葡糖苷酸式排泄到尿中。在膀胱中，葡糖苷酸被水解，释放的芳基羟胺经质子化过程和脱水过程转变为具有反应性的亲电子芳基硝鎓离子。,3.某些结合反应可被逆转,2具有反应活性的毒物使解毒酶失活,92,如：在自由基解毒过程中产生如谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物。能与蛋白巯基形成混合二硫化物，而谷胱甘肽硫基自由基（GS）在与硫醇盐（GS-）反应后形

27、成谷胱甘肽二硫化物自由基阴离子（GSSG-），它能使O2还原为O2-,4解毒过程产生潜在的有害副产物,93,第二节终毒物与靶分子的相互作用,94,终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑以下几个方面：,靶分子的属性；终毒物与靶分子之间反应的类型；毒物对靶分子的效应；生物学微环境改变所引起的毒性。,95,所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标最相关的靶标是大分子。在小分子中，膜脂质最为常见。辅因子如辅酶A和吡哆醛也被涉及。,一、靶分子的属性,96,内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。靶分子必须接触足够高浓度的终毒物。处于反应活性化学物邻近或接近

28、它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。,成为靶标的条件,97,活性代谢物的第一个靶分子,在密切靠近其形成部位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时，可发生扩散直至它们遇到这样的反应物。,98,负责甲状腺激素合成的酶甲状腺过氧化物酶将某些亲核的外源化学物如甲巯咪唑和间苯二酚转变为活性自由基代谢物这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活，这是这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。,举 例 1,99,四氯化碳由细胞色素P-450活化后破坏细胞色素P-450酶本身及其邻近的微粒体膜。因为这种结合物在相同的细胞器由线粒体半胱氨酸结合物-裂合酶转变为亲电物。,举 例 2,100,在密切靠近其形成部

29、位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时，可发生扩散直至它们遇到这样的反应物。如硬亲电物如N-甲基-4-氨基偶氮苯的芳基硝鎓离子代谢物易于与核酸中的亲核原子反应，易于与核中的靶DNA反应，即使亲电物是在胞浆中产生。,举 例 3,101,不出现不良后果的蛋白质共价结合甚至可通过占有毒理学相关的靶分子。如：有机磷杀虫剂血浆胆碱酯酶是一种保护机制，因为减少了靶分子乙酰胆碱酯酶共价结合的磷酰化。,举 例 4,102,终毒物与靶标反应并对其功能产 生不良影响；终毒物在靶部位达到有效的浓度；终毒物在某种机制上以所观察的毒 性相关的方式改变靶标。,如何确证引起毒性的靶分子,103,二、反应的类型,与靶分子非共

30、价结合；与靶分子共价结合；靶分子去氢反应；靶分子电子转移；酶促反应。,104,非共价结合可能是通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成。具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。,1非共价结合,（nonconvalent binding）,105,番木鳖碱结合于脊髓运动神经元 上甘氨酸受体TCDD结合于芳烃受体哈蚌毒素结合钠通道佛波酯结合于蛋白激酶C,举 例,106,毒理：外源化学物原子的空间排列使它们与内源性分子的互补部位结合，因而表现出毒性效应。非共价结合通常是可逆的，因为键能相对较低。,107,共价结合不可逆且持久地改变内源分子。共价加合物的形成常见于亲

31、电毒物。这些毒物与生物大分子中的亲核原子反应，亲电原子对亲核原子表现出某些选择性，取决于它们的电荷/半径比。,2共价结合,（convalescent binding）,108,亲电子物 亲核物,软、硬亲电物和亲核物实例,极化双键中的碳 软 巯基化合物中的硫（如(如醌,-不饱和酮)蛋白质和谷胱苷肽中的 半胱氨酸残基）,环氧化物、应变环内酯、芳基卤化物,甲硫氨酸中的硫,芳基碳鎓离子,蛋白质的一级和二级氨基基团中的氮,苄碳鎓离子，氮鎓离子,核酸中嘌呤碱氨基中的氮,硬 核酸中嘌呤和嘧啶中的氧,烷基碳鎓离子,核酸中磷酸酯的氧,109,软亲电物较易与软亲核物反应，而硬亲电子较易与硬亲核物反应。,银和汞类，

32、软亲电物，优先与软亲核物反应；锂、钙和钡类，硬亲电物，优先与硬亲核物反应；铬、锌和铅，与亲核物的反应普遍性,110,中性自由基如OH、NO2和Cl3C也能共价结合于生物分子。,Cl3C加入到脂质的双键碳或脂质自由基产生含有氯甲基脂肪酸的脂质；羟基自由基加入到DNA碱基导致许多产物的形成，包括8-羟嘌呤、5-羟甲基嘧啶以及胸腺嘧啶和胞嘧啶的乙二醇。,111,亲核毒物倾向于与亲电内源化合物反应，但这样的反应不常发生，因为在生物分子中亲电物十分罕见。,胺类和肼类与一种脱羧酶的共底物吡哆醛的共价反应；一氧化碳、氰化物、硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键。其他亲核物以电子转移反应的方式

33、与血红蛋白反应。,112,内源化合物去除氢，将其转变为自 由基；巯基化合物去除氢形成硫基自由基(R-S)；氨基酸残基的CH2基除去氢，转变 为羰基化合物，与DNA或其他蛋白 质的交联。,3去氢反应,113,3去氢反应,脱氧核糖去除氢，产生C4-自由基；脂肪酸去除氢，产生脂质自由基；酪氨酸残基的硝基化可能涉及去氢反 应，酪氨酰自由基与NO2共价结合。,114,化学物能将血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+，形成高铁血红蛋白血症。亚硝酸盐能氧化血红蛋白N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化，形成高铁血红蛋白与过氧化氢。,4.电子转移,115,少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白上。,5酶

34、促反应,蓖麻蛋白诱发核糖体的水解断裂，阻断蛋白质的合成；几种细菌毒素催化ADP-核糖从AND+转移到特定蛋白质；,116,大多数终毒物可通过不同机制与靶分子反应。如：醌类可以作为电子受体启动巯基氧化或导致脂质过氧化的自由基反应，也可作为软亲电物共价结合于蛋白巯基。铅离子与-ALAD的关键巯基形成配位共价键时，是作为软亲电物；当结合于蛋白激酶C或阻断钙通道时，表现一种硬亲电物或一种离子。,117,三、毒物对靶分子的作用,毒物活化靶蛋白分子，模拟内源性配体。,1靶分子功能失调,吗啡激活鸦片受体；氯苯丁酯(clofibrate)为一种过氧化 物酶体增殖物激活性受体的激动剂；佛波酯和铅离子刺激蛋白激酶

35、C。,118,化学物抑制靶分子的功能,阿托品、箭毒（curare）和番木鳖碱（strychine）附着于配体结合部位或通过干扰离子通道而阻断神经递质受体。,119,化学物抑制靶分子的功能,河豚毒素（tetrotodoxin）和蛤蚌毒素（saxitoxin）抑制神经元膜上电压激活的钠通道开放；DDT和除虫菊酯（pyrethroid）杀虫剂抑制它们的关闭；,120,当蛋白质与毒物交互作用而改变其构型结构时，蛋白质的功能即受损害，许多蛋白质具有催化活性和组装为大分子复合物所必需的关键部分，特别是巯基。,121,某些毒物阻断离子转运蛋白；毒物抑制线粒体电子转移复合物；多毒物抑制酶活性；损害细胞骨架蛋白

36、的组装的拆装过程。,122,如黄曲霉毒素8,9-氧化物共价结合于鸟嘌呤的N-7位使得带有加合物的鸟嘌呤与腺嘌呤配对而不是与胞嘧啶配对，导致不正确密码的形成及不正确的氨基酸插入蛋白质。,毒物干扰DNA的模板功能,化学物与DNA共价结合引起复制期间核苷酸错配。,123,2靶分子的破坏,毒物通过交联和断裂而使内源分子的初级结构改变。,二硫化碳、丙烯醛、4-羟壬醛和氮芥烷化剂能交联细胞骨架蛋白、DNA，或使DNA与蛋白质交联。,124,靶分子对化学物攻击后的自发性降解敏感,Cl3COO和OH自由基可通过从脂肪酸去除氢而启动脂质的过氧化降解，所形成的脂质自由基（L）紧接着通过氧固化作用转变为脂质过氧自由

37、基（LOO）;,125,通过去氢反应形成脂质氢过氧化物。脂质过氧化不仅破坏细胞膜脂质，还容易与邻近的分子如膜蛋白质反应，或扩散到更远的分子如DNA。,126,毒物引起酶辅基破坏,细胞色素P-450将烯丙基异丙基乙酰胺转变为具有反应活性的代谢物，它使酶的血红素部位发生烷基化，导致变化了的血红素丢失及卟啉症的发生。,127,多种羟自由基攻击长度较短的DNA引起双链断裂，受影响细胞常表现为致死效应。,毒物可引起DNA断裂,128,外源化学物或其代谢物的共价结合可激发免疫应答。某些化学物可能具有足够高的反应性而自发地结合于蛋白质。另外一些化学物可通过自氧化为醌类或通过酶促生物转化而获得反应性。,3新抗

38、原形成,129,例如：细胞色素P-450将氟烷转化为三氟乙酰氯，作为半抗原与肝各种微粒体和细胞表面蛋白质结合，诱导抗体产生。,130,4化学物引起生物学微环境改变与毒性,能改变生物水相中的H+离子浓度的化学物，在线粒体基质中使酚的质子分离，使推动ATP合成的质子梯度消失；,使细胞膜脂质相发生物理化学改变以及破坏细胞功能所必需的穿膜溶质梯度的溶剂及去垢剂；,通过占据位置或空间引起危害的其他外源化学物。,131,第三节细胞功能障碍与毒性,132,多细胞机体的每个细胞都执行着特定的程序。,决定细胞的命运(分裂、分化或凋亡)控制分化细胞的瞬息活动，决定细胞分泌物质的数量、是否收缩或舒张、转运和代谢营养

39、物质的速率等。,133,细胞受信号分子调节，它激活与信号转导网络所联系的细胞受体，信号转导网络将信号传递给基因的调节区域和（或）功能蛋白。,一、毒物引起的细胞调节功能障碍,134,改变基因的表达，增加或减少特 定蛋白的功能；,受体激活的结局,通过磷酸化使特定蛋白发生化学 修饰，从而激活或抑制蛋白质。,135,基因表达调节障碍可发生于直接负责转录的元件上、细胞内信号转导途径的成员以及细胞外信号分子的合成、贮存或释放过程中。,（一）基因表达调节障碍,136,外源化学物可与基因的启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用。转录因子激活作用的改变是最常见的方式。,1转录调节障碍,部分天然化合

40、物通过结合与激活而影响基因的表达。,137,细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活mRNA受体激活分子（TFs）。这些TFs控制着影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因的转录活性。,2信号转导调节障碍,138,化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过改变蛋白磷酸化，也通过干扰C蛋白(如Ras)的GTPase活性、破坏正常的蛋白质-蛋白质交互作用、建立异常的交互作用、改变信号蛋白的合成与降解。这样的干扰最终可影响细胞周期的进展。,139,促使信号转导蛋白磷酸化的外源化学物常会促进有丝分裂和肿瘤形成,(1)具有增殖效应的化学物对信

41、号转导的影响,140,活化的PKC至少以两种方式促进有丝分裂信号形成：（1）通过磷酸化MAPK途径的第一种蛋白激酶Raf。（2）通过磷酸化一种蛋白磷酸酶，这种酶使转录因子在特定位点脱磷酸，使其能给合于DNA。蛋白激酶可通过受外源化学物改变的蛋白质相互作用而激活。,141,蛋白质磷酸化不仅随激酶磷酸化的增加而增加，而且也可能通过磷酸酶的脱磷酸作用而产生。磷酸酶的抑制似乎是各种化学物、氧化应激和紫外(UV)辐射促有丝分裂作用的基本机制。,142,细胞损伤后增加了的细胞信号的衰减可能危及损伤细胞的取代。,(2)化学物改变的抗增生效应信号的转导,正常有丝分裂信号的下调使细胞走向凋亡。,143,特定细胞

42、正常运行的控制是通过作用于膜受体的信号分子来实施的，这些受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信息的酶促形成而传递信号。Ca2+或其他第二信息最终改变功能蛋白质的磷酸化，改变其活性，引起细胞功能的变化。毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动。,（二）细胞瞬息活动的调节障碍,144,外源化学物影响可兴奋细胞如神经元、骨骼肌、心肌和平滑肌细胞的细胞活动，这些细胞的功能如神经递质的释放、肌肉的收缩受邻近神经元合成和释放的递质或介质的控制。,1电可兴奋细胞的调节障碍,145,化学物引起的瞬息细胞活动的障碍可能是由于4方面的改变：,神经递质浓度；受体功能；细胞内信号转导；信

43、号终止过程。,146,化学物通过干扰神经递质的合成、贮存、释放或从受体附近清除而改变突触的神经递质水平。利血平通过抑制去甲肾上腺素、5-羟色氨和多巴胺在神经元中的贮存而耗竭递质，引起严重不良效应。肉毒杆菌毒素引起骨骼肌麻痹是乙酰胆碱从运动神经元释放的抑制以及神经肌肉接头上乙酰胆碱受体缺乏刺激。,1、神经递质水平的改变,147,有机磷或氨基甲酸酯农药可抑制胆碱酯酶的释放阻碍乙酰胆碱的水解，导致胆碱能受体的强大刺激和出现胆碱能危象。,148,某些化学物直接与神经递质受体交互作用，这些化学物包括：,(2)毒物-神经递质受体交互作用,（1）与受体上的配体结合部位相联系的激动剂以及模拟天然配体的激动剂（

44、2）占据配体结合部位但不能激活受体的拮抗剂（3）激活剂（4）结合于不直接参与配体结合的受体上某部位的抑制剂。,149,毒蝇菌胺，一种蘑菇毒素是抑制性GABAA受体的激动剂，巴比妥酸盐、苯（并）二氮卓类、全身麻醉剂和醇类是活化剂。所有这些物质引起CNS活性的抑制，随着摄入剂量的不同，导致镇静作用、全身麻醉、昏迷，最终导致延髓呼吸中枢的阻断。,举 例,150,由激动剂/激活剂在兴奋性受体上所引起的应答及拮抗剂/抑制剂在抑制性部位所诱发的应答存在类似问题。谷氨酸受体激动剂和毒蕈碱受体激动剂引起大脑神经元的过高活动性，最终导致惊厥，GABAA受体拮抗剂也是如此。,举 例,151,全身麻醉剂引起的全身麻

45、醉作用不仅是通过激活抑制性配体门控的氯离子通道,也通过抑制兴奋性的配体门控的阳离子通道（如神经元烟碱样乙酰胆碱受体和谷氨酸受体）来实现。,举 例,152,由于每一种神经递质具有多种类型的受体，这些受体受毒物的影响可能是有差异的。例如，神经元烟碱样乙酰胆碱受体对铅离子的抑制极其敏感，而肌肉的烟碱受体亚型却并非如此。,举 例,153,某些感觉神经元具有可受化学物刺激的受体。如辣椒素受体，是一种配体门控的阳离子通道,它介导舌头的烫觉，同时对接触红辣椒和其他刺激物相关的泪腺刺激作出反射。,举 例,154,许多化学物通过作用于信号转导过程而改变神经元和(或)肌肉的活动。,(3)毒物-信号转导蛋白交互作用

46、,电压门控的Na+通道转换和放大由配体门控的阳离子通道生成的兴奋性信号，受植物和动物毒素以及合成化学物激活，导致兴奋过度。阻断电压门控的Na+通道的毒物(如河豚毒素和蛤蚌毒素)可引起麻痹。,155,(4)毒物-信号终止蛋白的交互作用,Na+、K+泵的失效被认为是缺氧、低血糖和氰化物中毒引起的神经元损害的原因。鉴于神经元中生成的70%ATP用于驱动Na+、K+泵，ATP合成的中断引起细胞去极化并停留在去极化状态。去极化引起的神经递质释放被认为是由谷氨酸的神经毒性作用引起的缺氧性癫痫发作和神经元损害进一步放大的重要原因。,156,虽然很多信号转导机制也在非可兴奋细胞中运作，但这些过程的失调通常没有

47、显著后果。,2其他类型细胞活动的调节障碍,157,乙酰胆碱受体调控,有机磷杀虫剂中毒后唾液分泌、流泪和支气管过度分泌就是由于这些受体的刺激；受体的阻断可导致阿托品中毒时的高热。枯否细胞(居留于肝脏的巨噬细胞)分泌可损伤邻近细胞的炎症介质。,158,由于枯否氏细胞具有甘氨酸受体，即甘氨酸门控的Cl通道，这些巨噬细胞的分泌功能可因摄入甘氨酸而阻断，这种干预作用缓解了乙醇引起的肝损害。,159,某些磺胺药抑制胰腺细胞的K+通道，随后诱导去极化，Ca2+通过电压门控的Ca2+通道的内流以及胰岛素从细胞外排，抗高血压药二氮嗪以相反的方式作用于K+通道，损害胰岛素的分泌。虽然这种作用通常并不希望出现，但它

48、可开发应用于无法手术治疗的胰岛素分泌型胰腺肿瘤的治疗。,160,二、毒物引起的细胞维持功能改变,破坏细胞自刎功能的毒物，特别是损害线粒体能量产生功能和控制基因组功能的蛋白质合成的毒物均可危及生存并可引起中毒性细胞死亡。,161,为了生存，所有细胞必须合成内源性分子，组装大分子复合物、膜及细胞器，维持细胞内环境，并产生细胞活动所需的能量。破坏这些功能的毒物，特别是损害线粒体能量产生功能和控制基因组功能的蛋白质合成的毒物均可危及生存并可引起中毒性细胞死亡。,（一）细胞内部维持自身功能的损害,162,使细胞遭受致死性打击的化学物可启动三种关键性的生化紊乱：即ATP耗竭，持续性的细胞内Ca2+升高以及

49、ROS和RNS过量产生。,163,描述这些事件和可能引起这些事件的化学物的特征。指出它们的协同作用是如何导致生物能的灾变、并以死亡而告终。讨论细胞可能避免这种紊乱的一些情况，以及它可能如何通过活化使细胞有序的分解和清除的分解代谢而导致死亡的。,讨论内容,164,ATP通过磷酸化和腺苷化作用活化内源化合物，掺入到辅因子及核酸中去。它对肌肉收缩和细胞骨架的聚合作用、为细胞运动、细胞分裂、囊泡转运提供能量和维持细胞形态都是必不可少的。,1危害细胞存活的原发性代谢紊乱,(1)ATP耗竭,165,ATP驱动离子转运蛋白，如：质膜的Na+、K+-ATPase、质膜和内质网膜的Ca2+-ATPase、溶酶体

50、膜以及含神经递质的囊泡的H+-ATPase。维持了各种细胞功能所必需的条件，如由Na+，K+泵形成的穿质膜Na+浓度梯度驱动Na+-葡萄糖和Na+-氨基酸协同转运蛋白以及Na+/Ca2+反向转运蛋白，促使这些营养素的进入和的Ca2+移动。,166,化学能通过ATP水解为ADP或AMP的形式来释放。ADP在线粒体中由ATP合酶重新磷酸化。与氢氧化为水相偶联，这一过程称为氧化磷酸化。,167,除了ATP合酶，氧化磷酸化还需要：（1）氢以NADH的形式传递给初始电子转运复合物；（2）氧传递给终末电子转运复合物；（3）ADP和无机磷转运给ATP合酶；（4）电子沿电子传递链流向O2，伴有质子从基质腔穿内